工程師的搖籃 聊FSEC/FSAC賽車前沿技術(shù)
● 沒有車手的賽車
以FSAC的冠軍——北京理工大學(xué)純電動(dòng)方程式賽車隊(duì)的“戰(zhàn)車”為例，其實(shí)無人駕駛方程式賽車的研究開發(fā)，大多數(shù)都是建立在電動(dòng)方程式賽車上的，各位可以把FSAC看成是FSEC的進(jìn)階版，也就是我們常說的“從FSEC到FSAC”。
簡單來說就是：學(xué)生們通過給電動(dòng)方程式賽車加上——環(huán)境感知、智能決策、執(zhí)行控制三大系統(tǒng)，從而讓方程式賽車自己按設(shè)定的路線自己跑起來。
最有看頭的我想應(yīng)該就是環(huán)境感知系統(tǒng)了，它相當(dāng)于賽車的“眼睛”，是由激光雷達(dá)、攝像頭和高精度GPS組成；而智能決策系統(tǒng)相當(dāng)于賽車的“大腦”，處理“眼睛”接收的信息進(jìn)而分析處理；執(zhí)行控制系統(tǒng)相當(dāng)于“四肢”，用于橫縱向控制。
激光雷達(dá)具有很高的測距精度，基于采集的原始點(diǎn)云信息，進(jìn)行處理區(qū)域的劃分，使最終需要處理的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)低于原始值。在此基礎(chǔ)上采用Point Cloud Library (PCL點(diǎn)云庫方法做后續(xù)的處理，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去離群點(diǎn)、投影、聚類、取中心點(diǎn)等一系列流程，最終提取出錐桶在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
看到這里，或許有網(wǎng)友疑惑了，為什么車頭的傳感器只有一臺(tái)激光雷達(dá)？其它的諸如超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)就怎么就不裝上車？針對(duì)這些問題，筆者咨詢了吉林大學(xué)吉智無人方程式賽車隊(duì)隊(duì)長，他說一方面是因?yàn)槌暡ǖ膫鬏斔俣纫资芴鞖馇闆r和方程式賽車的車速影響，處理測距時(shí)有可能跟不上車輛的實(shí)時(shí)變化，另一方面是超聲波散射角大，導(dǎo)致方向性較差，不利于運(yùn)用到方程式賽車上。
攝像頭主要識(shí)別紅色錐桶和黃色錐桶，以控制賽車的轉(zhuǎn)彎和停止。首先采集車前方圖像，采用中值濾波方法，極大的保留了圖像邊緣信息，有效去除了各種小噪點(diǎn)，此外所采用的HSV顏色空間，方便進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換，我們分割圖像的閾值范圍，從而保留需要的顏色。其次，對(duì)閾值分割后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)開運(yùn)算和閉運(yùn)算，得到錐桶區(qū)域以及與錐桶形狀接近的區(qū)域。最終采用了區(qū)域的面積、方向、圓度特征，準(zhǔn)確的分離出紅色大錐桶和黃色錐桶。
借助高精度GPS，賽車可以記錄下每一次行駛的軌跡，并按照之前的路徑高速行駛。在此之上，決策系統(tǒng)是基于ROS（Robot Operating System）操作系統(tǒng)開發(fā)而來，針對(duì)每一比賽項(xiàng)目使用C++編程語言設(shè)計(jì)和編寫相應(yīng)的控制程序并封裝在同一個(gè)ROS包下。通過運(yùn)行各個(gè)不同節(jié)點(diǎn)，可以快速啟動(dòng)并且運(yùn)行不同控制序、數(shù)據(jù)傳輸以及處理速度。
總結(jié)：
同樣是作為大學(xué)生方程式大賽的系列賽事（包含BSC巴哈賽、FSCC內(nèi)燃機(jī)賽、FSEC電動(dòng)車賽、FSAC無人車賽），F(xiàn)SEC相比起FSCC，算是一次進(jìn)階，它要求賽事參與者掌握的技術(shù)更高，主要源于電源管理系統(tǒng)、電池技術(shù)、電控系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)與控制，即使在大學(xué)和企業(yè)界都并非完全成熟的技術(shù)，賽事參與者需要邊學(xué)邊做。而FSAC相比起FSEC，則又是一次進(jìn)階，畢竟無人駕駛技術(shù)具有超前和跨界的雙重特點(diǎn)，尚無一家車企來得及對(duì)此技術(shù)做出完整布局，我想，隨著賽事參與者經(jīng)驗(yàn)地累積和不斷地學(xué)習(xí)探索，或許這個(gè)賽事確實(shí)是一個(gè)青年工程師的“搖籃”，為祖國輸送一批又一批的專業(yè)性人才。（圖/文/攝 汽車之家 蘇煒祺 圖片來源：蔚來官方）
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